一种小型高比功率电动执行机构制造技术

本发明专利技术公开了一种小型高比功率电动执行机构，位置反馈传感器、驱动器和控制器均安装于PCB电路板上，小齿轮套装于伺服电机的转轴上，小齿轮与过渡齿轮啮合连接，过渡齿轮与大齿轮啮合连接，大齿轮套装于行星齿轮的太阳轮上，行星齿轮的行星小齿轮套装于外齿圈内，行星齿轮的行星架与空心输出轴连接，空心输出轴作为本机构的输出轴并同时与位置反馈传感器的动力输入端连接，小齿轮、过渡齿轮和大齿轮的中心轴线相互平行且与PCB电路板相互垂直。本发明专利技术机构采取一系列卓有成效的小型化和轻量化的技术手段后，其比功率指标已超过中国国内外同类产品的先进水平，可大大提高航空、航天飞行器的航行时间和有效载荷质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种电动执行机构，尤其涉及一种通过多种技术手段实现小质量、小体积和高比功率且效果显著的小型高比功率电动执行机构。
技术介绍
电动执行机构是一种用伺服电机将电能转换为机械能的闭环位置伺服系统，是控制系统的执行机构，如图1所示，电动执行机构主要由伺服电机、减速器、驱动器、控制器和位置反馈传感器组成，控制器接收来自上位机（即控制系统）的位置指令，与位置反馈传感器反馈回来的实际位置信息比较形成位置误差，通过控制算法形成脉宽调制控制量，经驱动器进行信号放大后驱动伺服电机旋转，与电机相连的减速器对力矩进行放大，驱动负载运动以减小位置误差并形成位置负反馈，从而实现负载按位置指令的变化规律而运动，达到负载跟踪指令的目的。电动执行机构在无人机和导弹中应用，简称电动舵机，可实现飞机和导弹的姿态控制；在机器人中应用，简称伺服器，可实现手爪或机器人工具的中心点以给定的速度沿着给定轨迹到达目标点。由于其应用条件制约，在最小质量和体积的前提下，具有较大的输出力矩和较高的传动精度，是电动执行机构需要尽可能实现的目标，以满足高端无人机、小型导弹、机器人等多方面的需求。无人机飞行控制系统配套的执行机构（电动舵机）的单位质量输出功率是制约其巡航速度、飞行机动性和续航能力的重要因素。目前，超小型高比功率高精度齿轮传动电动舵机关键技术被德国公司所垄断，小型大扭矩高精度齿轮传动电动舵机关键技术被日本公司所垄断，高端无人机特别是军用无人机基本都采用他们的产品。中国国内生产的齿轮传动电动舵机，虽然具有成本优势，由于精度差、可靠性低，大都应用于航模无人机或低端无人机。中国国内小型常规导弹用电动舵机目前均为军工科研单位配套，大都采用谐波传动或丝杠传动，虽然性能优越，但体积偏大、价格昂贵，难以形成产业化。中国已经连续两年成为世界第一大机器人市场，但产业大而不强。目前,发那科、安川、KUKA、ABB四家外国公司合计占据约全球65%的市场份额，国外机器人制造企业占据中国近90%的市场份额，之所以如此，是因为中国不掌握工业机器人核心技术。目前我国精密减速机、控制器、伺服系统以及高性能驱动器等机器人核心零部件大部分依赖进口，而这些零部件占到整体生产成本70%以上。在工业机器人成本中，占比最高的为减速器，占33%～38%，驱动及伺服电机占20%～25%，控制器占10%～15%，机器人机械结构在总成本中占比只有20%左右。由于近年中国在数控机床领域的进步，虽然高精度伺服器仍需进口，但已可以生产中低端伺服器，中国机器人产业最大的难题在于减速器。对于高精度机器人减速器，日本处于绝对领先地位，目前全球机器人行业75%的精密减速器被日本公司占有。工业机器人减速器要求体积小、扭矩大、重量轻、传动比大、传动效率高、运动精度高、回差小、低振动、刚性大和高可靠性。而关节驱动的电动机，则要求有大功率质量比和大扭矩惯量比、高起动转矩、低惯量和较宽广且平滑的调速范围。因此，提高小型大扭矩高比功率齿轮减速器、高比功率电机及其驱动技术，并将其应用于机器人伺服器中，对中国掌握机器人核心技术和提高机器人产业的竞争力具有重大意义。目前，国内外企业采用改变材料、优化结构等手段尽可能减小电动执行机构的质量和体积，并尽可能提高比功率，虽然在某些方面都取得一定进步，但是综合成效并不十分显著，还有待提升。下面是几个典型企业的电动执行机构的简单介绍：德国VOLZ公司于1983年成立VOLZ伺服器设计和机电制动器中心，发展至今，主要服务于航空航天智能机器人医疗设备等高精端领域，为全球39家著名公司配套。舵机产品已形成系列化，输出扭矩覆盖0.1-5.0Nm。其最大一款5Nm舵机，仅重0.26Kg，体积102mm*54mm*26mm产品在性能，耐用性和紧凑的设计上，达到国际先进水平。日本精工生产的PS105是大型伺服舵机的旗舰产品。广泛应用于无人机、大型直升机、智能机器人等产品。该产品防水滴、防尘、低温性能出色，也可以在恶条件下的运用，机体使用铝压铸工艺。可以使用于翼展大于3m的无人机、直升机、飞行器、智能机器人等，性能可靠稳定。其超大扭矩无与伦比。主要技术指标如下：输出最大扭矩38Nm；最大速度180º/s；质量0.72Kg;体积132mm*55mm*118mm。美国JR、日本FUTABA、日本HITEC品牌均生产一款小型舵机DS8911，其可靠性和轻量化也达到了国际先进水平。主要技术指标如下：输出最大扭矩2.5Nm；最大速度315º/s；质量0.069Kg;体积40.5mm*38mm*21mm。中国国内海风牌高端机器人执行机构DYNAMIXELPROH54-200-S500-R是一款专门针对模块化机器人搭建的集成执行部件，有齿轮减速系统，控制器、驱动程序和网络通信构成，连续运行扭矩可达24.8Nm。中国国内舵机品牌：XQ-POWER高端无刷数码舵机XQ-S5650D，采用全钛合金齿轮，具有防水效果塑胶壳强度高，耐腐蚀，是一款优异性能无刷数码大扭力舵机。舵机参数如下：重量：177.5g规格：60.1*30.1*59.7mm速度：315º/s最大扭矩：6Nm。中国深圳KSTDIGITALTECHNOLOGYLIMITED公司最新推出的KSTX50-12-150超大扭矩无人机、工业用无刷数字舵机，在输出扭矩方面达到了一个新高度。舵机参数如下：重量：550g规格：96.4*44*85mm速度：461º/s最大扭矩：15.8Nm。
技术实现思路
本专利技术的目的就在于为了解决上述问题而提供一种质量小、体积小且比功率高的小型高比功率电动执行机构。本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种小型高比功率电动执行机构，包括机构壳体、伺服电机、减速器、驱动器、控制器和位置反馈传感器，还包括PCB电路板，所述位置反馈传感器、所述驱动器和所述控制器均安装于所述PCB电路板上，所述伺服电机安装于所述机构壳体上，所述减速器和所述PCB电路板均安装于所述机构壳体内，所述减速器包括小齿轮、过渡齿轮、大齿轮和行星齿轮，所述小齿轮套装于所述伺服电机的转轴上，所述小齿轮与所述过渡齿轮啮合连接，所述过渡齿轮与所述大齿轮啮合连接，所述大齿轮套装于所述行星齿轮的太阳轮上，所述行星齿轮的行星小齿轮套装于外齿圈内，所述行星齿轮的行星架与空心输出轴连接，所述空心输出轴作为所述小型高比功率电动执行机构的输出轴并同时与所述位置反馈传感器的动力输入端连接，所述小齿轮、所述过渡齿轮和所述大齿轮的中心轴线相互平行且与所述PCB电路板相互垂直。上述结构中，位置反馈传感器、驱动器和控制器均安装于PCB电路板上，各元器件均采用表贴器件，并将其置入机构壳体内部，显著地减小了整机的体积和重量，同时由于无外部连接电缆，还有效地提高了整机的电磁兼容型；减速器采用小齿轮、过渡齿轮和大齿轮构成的第一级直齿轮减速机构和行星齿轮构成的第二级行星减速机构，第一级直齿轮减速机构可以将伺服电机的转速由15000转/分降为2000转/分左右，很好的适应了第二级行星减速机构的输入，其传动效率很高（一般超过98%），而且在减小转速和增大扭矩的同时功率损耗很小；第二级行星减速机构采用少齿差传动具有较大的减速比；两级减速实现了高效率很大的总减速比，在同样输出扭矩和减速比的情况本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型高比功率电动执行机构，包括机构壳体、伺服电机、减速器、驱动器、控制器和位置反馈传感器，其特征在于：还包括PCB电路板，所述位置反馈传感器、所述驱动器和所述控制器均安装于所述PCB电路板上，所述伺服电机安装于所述机构壳体上，所述减速器和所述PCB电路板均安装于所述机构壳体内，所述减速器包括小齿轮、过渡齿轮、大齿轮和行星齿轮，所述小齿轮套装于所述伺服电机的转轴上，所述小齿轮与所述过渡齿轮啮合连接，所述过渡齿轮与所述大齿轮啮合连接，所述大齿轮套装于所述行星齿轮的太阳轮上，所述行星齿轮的行星小齿轮套装于外齿圈内，所述行星齿轮的行星架与空心输出轴连接，所述空心输出轴作为所述小型高比功率电动执行机构的输出轴并同时与所述位置反馈传感器的动力输入端连接，所述小齿轮、所述过渡齿轮和所述大齿轮的中心轴线相互平行且与所述PCB电路板相互垂直。

【技术特征摘要】
1.一种小型高比功率电动执行机构，包括机构壳体、伺服电机、减速器、驱动器、控制器和位置反馈传感器，其特征在于：还包括PCB电路板，所述位置反馈传感器、所述驱动器和所述控制器均安装于所述PCB电路板上，所述伺服电机安装于所述机构壳体上，所述减速器和所述PCB电路板均安装于所述机构壳体内，所述减速器包括小齿轮、过渡齿轮、大齿轮和行星齿轮，所述小齿轮套装于所述伺服电机的转轴上，所述小齿轮与所述过渡齿轮啮合连接，所述过渡齿轮与所述大齿轮啮合连接，所述大齿轮套装于所述行星齿轮的太阳轮上，所述行星齿轮的行星小齿轮套装于外齿圈内，所述行星齿轮的行星架与空心输出轴连接，所述空心输出轴作为所述小型高比功率电动执行机构的输出轴并同时与所述位置反馈传感器的动力输入端连接，所述小齿轮、所述过渡齿轮和所述大齿轮的中心轴线相互平行且与所述PCB电路板相互垂直。2.根据权利要求1所述的小型高比功率电动执行机构，其特征在于：所述位置反馈传感器的动力输入端与传动杆的一端连接，所述传动杆的另一端穿过所述行星齿轮的太阳轮的中心通孔后与所述空心输出轴连接。3.根据权利要求2所述的小型高比功率电动执行机构，其特征在于：所述传动杆的另一端设有钢丝螺套。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：肖平，
申请(专利权)人：成都志力科技发展有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51